Sujet : Conception d'un hacheur Buck 200W 24V-12V Étudiants : CASSAGNE Antoine COCAUD Jérémy Polytech'Tours Département Électronique et
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Enfin, suivant la puissance nominale du système, la technologie des composants ne sera pas la même 2° - Hacheur série (Buck) C'est le montage le plus simple
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2 3 Convertisseur abaisseur /élévateur de type Buck-Boost 3 Prototype La structure du hacheur Buck est constituée d'une seule cellule de commutation (cf
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Fig 3 5 Comparaison avec l'ondulation de tension du hacheur série (hacheurs m) 17 Fig 4 1 Schéma complet du hacheur abaisseur de type BUCK
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Figure 1-1 (a) Convertisseur Boost (hacheur élévateur), (b) Convertisseur Buck ( hacheur abaisseur), (c) Convertisseur Buck-Boost (hacheur à stokage inductif),
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Sujet : ..."- ǯ hacheur Buck 200W 24V-12V
Étudiants : CASSAGNE Antoine
COCAUD Jérémy
Département ÉÉnergie Électrique
Du 12 Octobre 2011 au 24 Février 2012
Enseignant encadrant : Mr Ambroise SCHELLMANNS
CASSAGNE Antoine / COCAUD Jérémy - - Rapport de PFE 5ADEE 22011 / 2012
CASSAGNE Antoine / COCAUD Jérémy - - Rapport de PFE 5ADEE 32011 / 2012
Remerciements
nous souhaitons remercier Mr Ambroise SCHELLMANNS, enseignant-encadrant de , qui a permis dans le cadre d-Marathon suite à la demande de plusieurs étudiants du club. Nous tenons à remercier aussi Mr Mathieu LESCIEUX, , et Mr ThierryVIELLA, de s à notre projet et de
nous avoir apporté leur aide. Nous remercions également Marius ATTIVI, -Marathon et étudiant Marathon et étudiant en 5ème aide, ainsi que membres du club. Notre reconnaissance va également à Teddy BONNIN, étudiant en 5ème a également, pour sa précieuse aide pour le dimensionnement de notre inductance. Enfin, nous remercions toutes les personnes travaillant au sein du Greman, anciennement Laboratoirede Microélectronique de Puissance (LMP), pour leur disponibilité et tout particulièrement Adelphe
CALDEIRA pour avoir pris de son temps pour nous avoir donné un coup de pouce pendant la finalité
de notre projet. CASSAGNE Antoine / COCAUD Jérémy - - Rapport de PFE 5ADEE 42011 / 2012
Sommaire
Remerciements ............................................................................................................................................................................................................... 3
Glossaire ......................................................................................................................................................................................................................... 5
Introduction .................................................................................................................................................................................................................... 6
Éco-Marathon Shell ...................................................................................................................................................................... 7
I.1 Principe ............................................................................................................................................................................................................... 7
I.2 Catégories ........................................................................................................................................................................................................... 7
I.3 Énergies .............................................................................................................................................................................................................. 7
I.4 Circuit 2012 ........................................................................................................................................................................................................ 8
........................................................................................................................................................ 9
II.1 Description du club ........................................................................................................................................................................................... 9
II.2 Prototype ......................................................................................................................................................................................................... 10
III. Projet ...................................................................................................................................................................................................................... 11
III.1 Objectifs et contexte ...................................................................................................................................................................................... 11
III.2 Choix de la solution technologique .............................................................................................................................................................. 13
............................................................................................................................................................................. 13
III.2.2 Schéma théorique ................................................................................................................................................................................. 13
III.3 Fonctionnement du schéma électrique ......................................................................................................................................................... 15
................................................................................................................................................................................ 15
III.3.2 Alimentations ....................................................................................................................................................................................... 16
III.3.3 Driver de Mosfet .................................................................................................................................................................................. 16
III.3.4 Optocoupleurs ...................................................................................................................................................................................... 17
III.3.5 Relais .................................................................................................................................................................................................... 17
III.3.6 Capteur de courant .............................................................................................................................................................................. 18
III.4 Dimensionnement des composants .............................................................................................................................................................. 19
III.4.1 Mosfet ................................................................................................................................................................................................... 19
III.4.2 Diode..................................................................................................................................................................................................... 20
III.4.3 Optocoupleur ........................................................................................................................................................................................ 21
III.4.4 Capteur de courant ............................................................................................................................................................................... 21
III.4.5 Driver de Mosfet .................................................................................................................................................................................. 22
III.4.6 Alimentations régulées ........................................................................................................................................................................ 22
III.4.7 Résistances de grille des Mosfets ....................................................................................................................................................... 22
III.4.6 Capacité de charge du driver ............................................................................................................................................................... 23
III.4.7 Inductance ............................................................................................................................................................................................ 24
III.5 Simulation ...................................................................................................................................................................................................... 25
III.6 Réalisation de la carte électronique.............................................................................................................................................................. 27
III.8 Tests ............................................................................................................................................................................................................... 27
III.7 Tests ............................................................................................................................................................................................................... 28
III.9 Commande effectuée..................................................................................................................................................................................... 30
III.10 Planning ....................................................................................................................................................................................................... 31
Conclusion .................................................................................................................................................................................................................... 32
Bibliographie ................................................................................................................................................................................................................ 33
Index des illustrations .................................................................................................................................................................................................. 34
Annexes ........................................................................................................................................................................................................................ 35
CASSAGNE Antoine / COCAUD Jérémy - - Rapport de PFE 5ADEE 52011 / 2012
Glossaire
Catia : Logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO).CPS : Conception de Produits et Systèmes.
Greman : Groupe de Recherche en Matériaux, microélectronique, Acoustique, Nanotechnologiques. (anciennement LMP). Hydrogène : Élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.Kicad : Logiciel libre de conception pour l'électronique permettant le dessin de schémas électriques et
la conception de circuits imprimés.Labview : al Instruments
basé sur un langage de programmation graphique. LMP : Laboratoire de Microélectronique de Puissance. LT-Spice : Logiciel libre de conception pour l'électronique permettant le dessin et la simulation de schémas électriques.PFE : Étude.
PIC : Peripheral Interface Controller. Microcontrôleur qui intègre une mémoire de programme, une
horloge interne.Pile à combustible (PAC) : Pile servant à la fabrication de l'électricité se faisant grâce à l'oxydation
sur une électrode d'un combustible réducteur (par exemple l'hydrogène) couplée à la réduction sur l'autre électrode d'un oxydant, tel que l'oxygène de l'air. Shell : Compagnie pétrolière anglo-rigine de la création de la compétitionEco-Marathon Shell.
Typon : Masque transparent sur lequel sont imprimées les pistes, dans une encre opaque aux ultraviolets, afin de permettre la gravure d'un circuit imprimé. CASSAGNE Antoine / COCAUD Jérémy - - Rapport de PFE 5ADEE 62011 / 2012
Introduction
un prototype à hydrogène participant à la compétition Eco-Marathon Shell Energie & Environnement que nous étudions en 5ème et dernière année , nous avons Notre principal objectif, pour ce , est de réaliser un convertisseur DC/DC type hacheur série. prototype et être le plus optimisé possible (rendement, encombrement, poids, e. Nous devonsétudier, simuler et enfin concevoir la carte électronique réalisant la fonction demandée.
2011 au 24 Février 2012. Le laboratoire du CERER fut notre principal lieu de travail, le reste du temps
, LoïcGHIBAUDO et Pierre-Yves LE NAOUR en 5ème année également, ont réalisé en parallèle un autre
projet d 156temps de travail, nous nous sommes répartis les tâches de travail.
Dans une première partie, nous allons parler de la compétition Eco-Marathon Shell 2012 à Rotterdam,
aux Pays-Bas. Dans une deuxième notre projet, à allons traiter de notre CASSAGNE Antoine / COCAUD Jérémy - - Rapport de PFE 5ADEE 72011 / 2012
I. Présentation Éco-Marathon Shell
I.1 Principe
L'Éco-marathon Shell est une compétition automobile annuelle organisée par la compagniepétrolière Shell dont le but est de parcourir la plus longue distance avec un litre de carburant.
Cette compétition est réservée aux étudiants de tous les niveaux (du collège jusqu'aux grandes
écoles) et de tous pays.
Le principe du Shell Eco-marathon est donc simple: concevoir et construire un véhicule capable de parcourir la plus grande distance possible avec une quantité minimum de carburant, tout en minimisant ablir de nouveaux recordsde vitesse, ni de terminer la course en tête, mais de consommer le moins de carburant possible sur une
distance prédéfinie.Les véhicules utilisés sont des prototypes étudiés et construits dans des structures scolaires ou
universitaires.I.2 Catégories
Les véhicules se distinguent en plusieurs classes : les prototypes et les urban concepts.La catégorie " prototypes » est généralement représentée par des véhicules à trois ou
quatre roues dont les dimensions sont limitées par un règlement : la hauteur du prototype doit être inférieure à 1m. La conception de ces véhicules est relativement libre. La catégorie " urban concepts » se rapprochent d'une voiture et pouvant circuler en agglomération. Le règlement leur impose des dimensions strictes, quatre roues, un volant, un système de freinage hydraulique et des phares.I.3 Énergies
Les concurrents peuvent utiliser différentes énergies :Électrique
o Solaire o Hydrogène o Batteries électriquesPrototype
Urban concept
CASSAGNE Antoine / COCAUD Jérémy - - Rapport de PFE 5ADEE 82011 / 2012
Thermique
La performance de consommation est calculée en équivalence énergétique entre les différents
carburants (mesurée par un joulemètre pour les véhicules solaires) et représente donc le rendement
propulsif du système couplé à l'efficacité du véhicule sur la piste.I.4 Circuit 2012
Le Shell Eco-Marathon Europe 2012 se déroulera cette année à Rotterdam, aux Pays-Bas, du 17 au
19 Mai 2012.
Adresse du circuit : Ahoy RotterdamAhoy-weg 10
3084 BA ROTTERDAM
Image 1 - Circuit 2012
CASSAGNE Antoine / COCAUD Jérémy - - Rapport de PFE 5ADEE 92011 / 2012
II.II.1 Description du club
mettre au point une voiture écologique pour participerà une compétition européenne : Shell Eco-Marathon Europe. Le club est composé de membres
motivés prêt à contribuer à un projet pluridisciplinaire réunissant informaticiens, électroniciens et
mécaniciens. les clubs Arfit ou 4L Trophy par exemple. CASSAGNE Antoine / COCAUD Jérémy - - Rapport de PFE 5ADEE 102011 / 2012
II.2 Prototype
-Marathon Shell, ne participera pas -Marathon a donc investi dans un nouveau châssis, en fibre de verre, répondant aux nouvelles prototype ce qui permettra une meilleure pilote sera lui aussi nettement plus grand pour un meilleur confort et une meilleure visibilité. Pour un problème de coût, le nouveau châssis ne sera pas en fibre de carbone mais en fibre de verre. La fibre de carbone possède une meilleure masse volumique, une meilleure résistance en traction et une meilleure limite élastique que la fibre de verre mais son coût est que le choix a été fait.Image 2 - Prototype 2011
Image 3 - Prototype 2012 (Modélisé sous Catia) CASSAGNE Antoine / COCAUD Jérémy - - Rapport de PFE 5ADEE 112011 / 2012
III. Projet
III.1 Objectifs et contexte
Le but de ce PFE est de concevoir un convertisseur DC/DC type hacheur série pour le nouveau Cette carte électronique est située entre la pile à combustibleLe convertisseur DC/DC est un hacheur série (Buck) de 200W. En entrée, il doit recevoir 24VDC de
la pile à combustible et, en sortie, doit fournir une tension continue de 0V à 24V selon la consigne
comprend les autres cartes électroniques la voiture (ca encombrant et lourd qui Image 4 - Chaine de conversion de l'énergie du prototype 2011Le nouveau prototype possèdera
" controller nvertisseur DC/DC au moteur. Nous diminuons donc les pertes en supprimant cet étage. Loïc GHIBAUDO et de Pierre-Yves LE NAOUR en5ADEE, travaillent sur la pile à combustible. Le groupe de CPS en électronique travaille, quant à lui,
sur le PIC. CASSAGNE Antoine / COCAUD Jérémy - - Rapport de PFE 5ADEE 122011 / 2012
Image 5
prototype 2012. pour chaque carte électronique.Cahier des charges récapitulatif :
Tension : 24VDC
Tension de sortie variable : 0 à 24VDC
Fournir une tension de 12V à la PAC
Charge : moteur à courant continu de 200W
Rendement > 90%
Faible encombrement
La finalité de ce projet est de pouvoir participer à la compétition Eco-Marathon Shell 2012 à
Rotterdam, Pays-Bas, se déroulant du 17 au 19 Mai 2012. Image 5 - Chaine de conversion de l'énergie du prototype 2012 CASSAGNE Antoine / COCAUD Jérémy - - Rapport de PFE 5ADEE 132011 / 2012
III.2 Choix de la solution technologique
Buckpour son faible encombrement et sa faible consommation énergétique. Après avoir envisagé de le
mettre sur la même carte que le Buck, nous avons opté pour le placer sur une carte séparée. Il sera
ainsi plus simple de tester, valider et améliorer le fonctionnement de chaque partie. Nous pouvons donc ajouter au cahier des charges du Buck : ation de la partie puissance et de la partie commande (optocoupleur) afin de protéger la partie commande en cas de défaillance.III.2.2 Schéma théorique
La pile fournit une tension continue de 24V. En sortie, le moteur possède une tension nominale de24V. Le convertisseur est donc un simple abaisseur de tension.
Image 6 - Fonctionnement d'un hacheur série
Ce montage est relativement simple. Notre projet consiste donc à dimensionner au mieux les
composants pour avoir un rendement optimal. CASSAGNE Antoine / COCAUD Jérémy - - Rapport de PFE 5ADEE 142011 / 2012
Il existe différentes méthodes D »,
par un autre transistor MOSFET à canal N. En effet, les diodes ont une chute de tension à leurs bornes
lorsque celles-ci sont passantes (0,3V pour une bonne Schottky). Lorsque les Mosfets sont passants, leur principale perte se situe dans leur résistance série (Rdsonquotesdbs_dbs10.pdfusesText_16